李玉峰，張 宏，霍 巖

(1．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南鄭州450015;2．哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

彈藥艙是艦船的重要艙室，屬于高危險(xiǎn)性和易爆炸區(qū)域，其安全關(guān)乎艦船的戰(zhàn)斗力和生命力［1］。彈藥艙內(nèi)即使再小的火情也可能引發(fā)災(zāi)難性后果，因此需要火災(zāi)探測(cè)設(shè)備能在火災(zāi)發(fā)生初期盡早探測(cè)報(bào)警，以便在事態(tài)嚴(yán)重之前采取有效應(yīng)對(duì)措施。考慮到艦船火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中最不利場(chǎng)景原則［2］，而慢速火災(zāi)發(fā)展的速度相對(duì)較慢，因此屬于火災(zāi)早期探測(cè)的典型不利場(chǎng)景，而且彈藥艙室內(nèi)為了保持恒定的溫濕度，通常都配備有通風(fēng)系統(tǒng)，在通風(fēng)的影響下，火災(zāi)熱流場(chǎng)也會(huì)受到影響，從而呈現(xiàn)特殊的規(guī)律特性。目前對(duì)此類流場(chǎng)特性還缺乏深入的認(rèn)識(shí)。隨著CFD場(chǎng)模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件條件的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)被很多學(xué)者應(yīng)用于艦船艙室火災(zāi)特性研究中［3－5］，有結(jié)果證明數(shù)值模擬可以在降低實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)簡(jiǎn)便快捷地得到艦船艙室火災(zāi)相關(guān)數(shù)據(jù)［6］。本文利用數(shù)值方法對(duì)有通風(fēng)的彈藥艙室內(nèi)慢速火災(zāi)熱流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到艙室內(nèi)各火災(zāi)探測(cè)器處的相關(guān)參數(shù)變化規(guī)律，所得結(jié)論對(duì)于有通風(fēng)艙室慢速火災(zāi)早期探測(cè)有一定的指導(dǎo)意義。

1 艙室模型與計(jì)算方法

彈藥艙室為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，艙室內(nèi)部空間尺寸為:長(zhǎng)12 m，寬8 m，高3.5 m。艙室兩側(cè)上部各有6個(gè)對(duì)稱分布的風(fēng)口，各風(fēng)口尺寸為0.3 m×0.25 m，風(fēng)口中心距艙室上壁面0.2 m，艙室門(mén)所在的一側(cè)6個(gè)風(fēng)口為進(jìn)風(fēng)口，對(duì)面為回風(fēng)口，每個(gè)風(fēng)口的風(fēng)量為0.1875 m3/s。艙室內(nèi)地面上布置有6組彈藥架。艙室結(jié)構(gòu)的三維模型如圖1所示。

圖1 艙室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Cabin structure diagram

在艙室壁面以下0.3 m所在高度平面上，設(shè)置有點(diǎn)型溫度(T1～T8)和煙霧(S1～S4)火災(zāi)探測(cè)器，各探測(cè)器在高度平面上的位置分布如圖2所示。各探測(cè)器的采樣頻率為5 Hz，每秒輸出一個(gè)采樣平均數(shù)據(jù)。假設(shè)在火災(zāi)過(guò)程中，艙室門(mén)始終保持關(guān)閉狀態(tài)，艙室沒(méi)有自然開(kāi)口。在通風(fēng)作用下，艙室內(nèi)溫度保持在23℃左右。

圖2 艙室內(nèi)探測(cè)器布置 (單位:m)Fig.2 Detector arrangement in cabin(unit:m)

假設(shè)艙室內(nèi)彈藥架周?chē)娣呕蜻z落的雜物是形成火災(zāi)的火源，分別考慮火源位于艙室角落靠近送風(fēng)口一側(cè)和艙室中部靠近回風(fēng)口一側(cè)2種情況?；鹪疵娣e假定為0.2 m2，火源發(fā)展過(guò)程簡(jiǎn)化為αt2火災(zāi)模型，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)安全工程第4部分:設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景和設(shè)定火災(zāi)的選擇》(ISO/TS16733)［7］中的規(guī)定，慢速火模型的系數(shù)α為0.0029 kW/s2?；馂?zāi)的煙塵粒子生成量假設(shè)為消耗燃料的4.2%?？疾旎馂?zāi)發(fā)生后200 s內(nèi)的艙室內(nèi)熱流場(chǎng)情況。

圖3 火源位置示意圖Fig.3 Diagram of the fire sources

火災(zāi)是多組分、有粘、熱浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)，因此在其基本控制方程組基礎(chǔ)上，為加快方程組在計(jì)算時(shí)的求解速度，對(duì)控制方程組進(jìn)行變形與簡(jiǎn)化后，得到如下主要控制方程組:

連續(xù)性方程:

組分方程:

動(dòng)量方程:

速度散度約束方程:

狀態(tài)方程:

壓力約束方程:

式中:ρ為氣體的密度;Yl為組分l的質(zhì)量分?jǐn)?shù);為單位體積內(nèi)組分l的生成率或消耗率;D為擴(kuò)散系數(shù);M為分子量;~P為壓力擾動(dòng);V為氣流速度矢量;g為重力加速度矢量;hl為組分l的焓;T為氣流溫度;k為熱傳導(dǎo)率;為體積熱釋放率;qr為輻射熱通量矢量;τ為粘性應(yīng)力張量;R為氣體常數(shù);Ω為旋度張量。

數(shù)值計(jì)算時(shí)，采用基于Smagorinsky亞格子模型的大渦模擬技術(shù)使方程組封閉，燃燒采用單步反應(yīng)混合分?jǐn)?shù)模型，熱輻射采用有限體積法進(jìn)行計(jì)算。艙室壁面與外界的導(dǎo)熱使用一維導(dǎo)熱模型來(lái)計(jì)算。整個(gè)計(jì)算空間使用規(guī)格化網(wǎng)格劃分，火源所在區(qū)域和艙室上部熱煙氣流經(jīng)區(qū)域的立方體網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.025 m，其余區(qū)域網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.1 m。計(jì)算過(guò)程利用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST)開(kāi)發(fā)的火災(zāi)模擬軟件 FDS(Fire Dynamics Simulator)［8］來(lái)完成。

2 結(jié)果與分析

火災(zāi)場(chǎng)景中通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的火源熱釋放率隨時(shí)間的變化如圖4所示。由圖4可看出，熱釋放率隨時(shí)間按設(shè)定的形式增長(zhǎng)，在200 s時(shí)達(dá)到最大值120 kW，而且在100 s以后火源增大并受到通風(fēng)的擾動(dòng)使熱釋放率曲線出現(xiàn)波動(dòng)。

圖4 火源熱釋放速率隨時(shí)間變化Fig.4 Change of heat release rate over time

火源分別位于艙室角落和中部時(shí)各溫度探測(cè)器的輸出如圖5所示。圖5可看出，由于慢速火的熱釋放率增長(zhǎng)較慢，所以在考察的200 s內(nèi)溫度探測(cè)器測(cè)得的溫度值均較低，最高也僅有40°，低于通常一級(jí)火災(zāi)定溫探測(cè)的報(bào)警閾值62℃。而且，火源位于艙室中部時(shí)傳感器輸出的溫度開(kāi)始升高的時(shí)間要比火源位于火源位于艙室角落時(shí)晚約35 s，所測(cè)得的最高溫度值也低了近5℃。對(duì)于火源位于艙室角落的場(chǎng)景，探測(cè)器T7和T8的溫度最先開(kāi)始上升，T8在火災(zāi)發(fā)生后約60 s后溫度最先超過(guò)了25℃，T7在約70 s時(shí)超過(guò)了25℃，探測(cè)器T5和T6的溫度在65 s后也開(kāi)始逐漸上升，而探測(cè)器T1～T4的溫度值在100 s以后才緩慢上升。對(duì)于火源位于艙室中部區(qū)域的場(chǎng)景，在約100 s后，探測(cè)器T2，T4，T6和T8處的溫度都開(kāi)始上升，這些測(cè)點(diǎn)都是靠近回風(fēng)口一側(cè)的溫度傳感器，說(shuō)明火災(zāi)造成的溫度影響主要局限于通風(fēng)下游靠近回風(fēng)口一側(cè)區(qū)域的溫度傳感器。

圖5 各點(diǎn)溫度探測(cè)輸出結(jié)果Fig.5 Output of the temperature probes

在火災(zāi)探測(cè)器所在的高度平面上，典型時(shí)刻的溫度分布如圖6和圖7所示。由圖中可看出，由于艙室內(nèi)通風(fēng)的作用，使由艙室角落靠近送風(fēng)口一側(cè)的火源產(chǎn)生的熱量被送到回風(fēng)口一側(cè)，而且艙室內(nèi)的通風(fēng)使熱量在探測(cè)器所在的高度平面上無(wú)法均勻向周?chē)鷶U(kuò)散，高溫區(qū)域始終被控制在近火源一側(cè)的艙室邊沿和通風(fēng)下游區(qū)域，熱煙氣對(duì)艙室中心和送風(fēng)口一側(cè)的通風(fēng)上游區(qū)域影響較小。當(dāng)火源位于艙室中部時(shí)，由于火源位置更靠近回風(fēng)口一側(cè)，火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣擴(kuò)散過(guò)程受到通風(fēng)的限制，高溫區(qū)域被限制在艙室靠近回風(fēng)口一側(cè)，后期才沿著艙室邊沿向通風(fēng)上游逐漸擴(kuò)散。這說(shuō)明，若是探測(cè)點(diǎn)多安裝于艙室中心區(qū)域，則對(duì)于火災(zāi)的早期探測(cè)是不利的，因此對(duì)此類艙室內(nèi)火災(zāi)探測(cè)器的安裝位置設(shè)計(jì)和火災(zāi)早期探測(cè)方法研究時(shí)都應(yīng)考慮通風(fēng)對(duì)火災(zāi)熱煙氣蔓延過(guò)程產(chǎn)生的影響。

圖6 火源位于角落處 (單位:℃)Fig.6 Fire source is located in the corner(unit:℃)

圖7 火源位于中部 (單位:℃)Fig.7 Fire source is located in the middle(unit:℃)

艙室內(nèi)各溫度探測(cè)器輸出數(shù)據(jù)達(dá)到不同溫度的時(shí)間如表1所示。由表中結(jié)果看出，火源位于艙室角落時(shí)，靠近通風(fēng)下游的溫度探測(cè)器T8上升的速度最快并且能達(dá)到的溫度最高，而不是火源上方最近的測(cè)點(diǎn)T7，這是由于火源熱煙氣在上升到艙室上壁面附近過(guò)程中，艙室內(nèi)通風(fēng)將大部分熱煙氣送至了下游區(qū)域的原因?；鹪次挥谂撌抑胁繒r(shí)，艙室通風(fēng)下游的溫度測(cè)點(diǎn)T2和T8上升相對(duì)較明顯，這也是由于通風(fēng)的作用使熱煙氣只能由艙室邊沿向通風(fēng)上游緩慢擴(kuò)散的原因。

圖8為火源位于艙室角落時(shí)，火源附近溫度探測(cè)器T7和T8的溫度變化一階導(dǎo)數(shù)及其包絡(luò)線，圖9為火源位于艙室中部時(shí)，火源周?chē)鷾囟忍綔y(cè)器T4和T6的溫度變化導(dǎo)數(shù)及其包絡(luò)線。由其曲線可以看出溫度參數(shù)在不同時(shí)刻的變化速率情況，由結(jié)果可以看出，火災(zāi)時(shí)火源附近的溫度測(cè)點(diǎn)輸出變化速率均會(huì)有波動(dòng)變化，但是在火災(zāi)初期幅值小于0.5℃/s而后期有所增大，幅值最大約為1℃/s;同時(shí)，火源在艙室中部時(shí)的溫度導(dǎo)數(shù)幅值均要低于火源位于艙室角落時(shí)。

表1 各溫度測(cè)點(diǎn)到達(dá)不同溫度的時(shí)間Tab.1 Time at different temperatures for each temperature probe

圖8 火源位于艙室角落時(shí)周?chē)鷾囟葴y(cè)點(diǎn)變化曲線一階導(dǎo)數(shù)Fig.8 First derivative of ambient temperature changes when the fire source is located at the cabin corner

圖9 火源位于艙室中部時(shí)周?chē)鷾囟葴y(cè)點(diǎn)變化曲線一階導(dǎo)數(shù)Fig.9 First derivative of ambient temperature changes when the fire source is located in the cabin middle

圖10 煙霧探測(cè)輸出Fig.10 Output of the smoke detections

火源位于艙室角落和中部時(shí)各煙霧探測(cè)器的輸出如圖10所示。由圖中可以看出，火源位于艙室角落時(shí)，距離火源位置較近的煙霧探測(cè)器S3和S4先檢測(cè)到煙霧的變化開(kāi)始上升，在火災(zāi)發(fā)生后近120 s減光率達(dá)到10%/m，近150 s時(shí)通風(fēng)下游的測(cè)點(diǎn)S4達(dá)到20%/m，近200 s時(shí)達(dá)到近30%/m;火源位于艙室中部時(shí)，同樣是距離火源位置較近的煙霧探測(cè)器S2和 S4先開(kāi)始上升，但要在近150 s才達(dá)到10%/m，近200 s才達(dá)到20%/m，此時(shí)煙霧探測(cè)器輸出的增長(zhǎng)速率和幅值均要低于火源位于艙室角落靠近送風(fēng)口一側(cè)時(shí)。對(duì)于艙室內(nèi)不同位置火源的火災(zāi)，即使是報(bào)警閾值為10%/m的一級(jí)靈敏度煙霧探測(cè)器也要120 s之后才能探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)。

3 結(jié)語(yǔ)

利用數(shù)值方法對(duì)火源分別位于艙室角落靠近送風(fēng)口一側(cè)和艙室中部靠近回風(fēng)口一側(cè)時(shí)的慢速火災(zāi)熱流場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)艙室內(nèi)火災(zāi)溫度和煙霧參數(shù)結(jié)果的分析得到:

1)慢速火災(zāi)時(shí)溫度和煙霧測(cè)點(diǎn)輸出值均較小，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)達(dá)到通常的定溫報(bào)警閾值，即使對(duì)于報(bào)警閾值為10%/m的一級(jí)靈敏度煙霧探測(cè)器也要至少在100 s后才能探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)。

2)火災(zāi)時(shí)火源附近的溫度探測(cè)器輸出的變化速率均有波動(dòng)變化，但在火災(zāi)初期變化幅值小于0.5℃/s，后期幅值最大約1℃/s。

3)火源靠近回風(fēng)口一側(cè)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的溫度、溫度變化速率和煙霧減光率均要小于火源位于靠近送風(fēng)口一側(cè)時(shí)，更不利于火災(zāi)的早期探測(cè)。

4)通風(fēng)會(huì)影響火災(zāi)熱流場(chǎng)在探測(cè)器所在高度的熱煙氣分布，靠近送風(fēng)口一側(cè)發(fā)生火災(zāi)時(shí)通風(fēng)下游的火災(zāi)探測(cè)器更易受火災(zāi)的影響，而靠近回風(fēng)口一側(cè)的火災(zāi)熱煙氣先被限制在通風(fēng)下游回風(fēng)口一側(cè)區(qū)域，后期沿著艙室邊沿向通風(fēng)上游逐漸擴(kuò)散。

［1］ 宋靠華．水面艦艇彈藥艙的安全性設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)艦船研究，2007，2(4):26 －30，36．SONG Kao-hua．Safety design of ammunition magazine in water surface ship［J］．Chinese Journal of Ship Research，2007，2(4):26 －30，36．

［2］ 王磊．艦艇火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系研究［C］//全國(guó)海事技術(shù)研討會(huì)，2008:34－39．WANG Lei．Research on index system of warship fire hazard assessment［C］//National maritime technical seminar，July 10，2008:34 －39．

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